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JP5164147B2 - Scanning probe microscope and cantilever drive device - Google Patents

Scanning probe microscope and cantilever drive device Download PDF

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JP5164147B2
JP5164147B2 JP2007518942A JP2007518942A JP5164147B2 JP 5164147 B2 JP5164147 B2 JP 5164147B2 JP 2007518942 A JP2007518942 A JP 2007518942A JP 2007518942 A JP2007518942 A JP 2007518942A JP 5164147 B2 JP5164147 B2 JP 5164147B2
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light
light irradiation
displacement
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哲幸 古寺
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Kanazawa University NUC
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    • G01Q10/04Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself

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Description

本発明は、カンチレバーを備えた走査型プローブ顕微鏡、および、カンチレバーの駆動装置に関する。   The present invention relates to a scanning probe microscope including a cantilever and a cantilever driving device.

従来、典型的な走査型プローブ顕微鏡(SPM)としては、走査型トンネル顕微鏡(STM)および原子間力顕微鏡(AFM)が知られている。これらのうち、AFMは、探針を自由端に持つカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出するセンサと、試料ステージスキャナとを備えている。センサは典型的には光てこ式のセンサである。また、試料ステージスキャナは一般にピエゾ素子で構成されており、カンチレバーに対して試料をX、Y、Z方向に移動させる。   Conventionally, as a typical scanning probe microscope (SPM), a scanning tunneling microscope (STM) and an atomic force microscope (AFM) are known. Among these, the AFM includes a cantilever having a probe at a free end, a sensor for detecting the displacement of the cantilever, and a sample stage scanner. The sensor is typically an optical lever type sensor. The sample stage scanner is generally composed of a piezo element, and moves the sample in the X, Y, and Z directions with respect to the cantilever.

AFMでは、試料とカンチレバーが相対的にXY方向に走査される。このとき、カンチレバーと試料にかかる力が一定に保たれるように、Z方向の変位がフィードバック制御される。このZ方向の変位のフィードバック制御が、Z走査といわれる。カンチレバーと試料にかかる力を一定に保つための試料ステージの動きから、試料表面の微細形状を得ることができる。   In the AFM, the sample and the cantilever are relatively scanned in the XY directions. At this time, the displacement in the Z direction is feedback controlled so that the force applied to the cantilever and the sample is kept constant. This feedback control of the displacement in the Z direction is called Z scanning. The fine shape of the sample surface can be obtained from the movement of the sample stage to keep the force applied to the cantilever and the sample constant.

AFMの測定モードとしては、典型的にはACモードおよびコンタクトモードが知られている。ACモードでは、カンチレバーが共振周波数で励振される。カンチレバーが試料に近づくと振幅が変化する。そこで、振幅が一定になるようにZ方向のフィードバック制御が行われ、これによりカンチレバーと試料の距離が一定に保たれる。   As an AFM measurement mode, an AC mode and a contact mode are typically known. In the AC mode, the cantilever is excited at the resonance frequency. As the cantilever approaches the sample, the amplitude changes. Therefore, feedback control in the Z direction is performed so that the amplitude is constant, and thereby the distance between the cantilever and the sample is kept constant.

「AFMの走査速度について」
従来のAFMでは、測定が遅く、1枚の画像を撮るのに分のオーダーの時間がかかる。この理由は、フィードバック走査が遅いからである。フィードバック操作は、試料ステージを上下に動かして探針と試料表面との距離を調節し、カンチレバー探針と試料とにかかる力を一定に保つことである。画像取得に時間がかかるために、例えば、試料の動きを観察することは困難である。
“AFM scanning speed”
In the conventional AFM, the measurement is slow and it takes a time of the order of minutes to take one image. This is because feedback scanning is slow. The feedback operation is to keep the force applied to the cantilever probe and the sample constant by moving the sample stage up and down to adjust the distance between the probe and the sample surface. Since it takes time to acquire an image, it is difficult to observe the movement of the sample, for example.

フィードバック走査のループには、AFMのほとんどのデバイスが関与している。関係するデバイスは、カンチレバー、センサ、センサアンプ、制御回路、ピエゾドライブ電源、試料ステージスキャナなどである。これらのデバイスの内で、通常は試料ステージスキャナが最も遅いデバイスである。したがって、AFMの撮影速度を上げるためには、スキャナの高速化が必須となる。   The feedback scanning loop involves most AFM devices. Related devices are cantilevers, sensors, sensor amplifiers, control circuits, piezo drive power supplies, sample stage scanners, and the like. Of these devices, the sample stage scanner is usually the slowest device. Therefore, in order to increase the shooting speed of AFM, it is essential to increase the speed of the scanner.

しかしながら、従来のAFMでは、スキャナの高速化の限界は低い。より詳細には、従来のAFMでは、スキャナが、マクロな大きさをもつピエゾ素子(圧電素子)によって構成されている。試料ステージはスキャナによってXYZの3次元方向に走査される。フィードバック走査は、Z方向走査であり、XY方向走査に比べて高速な走査である。このZ方向走査が、ピエゾ素子の共振周波数より下の領域で行われる必要がある。したがって、走査速度を上げるためには、Z方向走査のピエゾ素子の共振周波数を上げる必要がある。しかし、ピエゾ素子はカンチレバーなどと比べてマクロな大きさをもっているために、ピエゾ素子の共振周波数は低い。このことがスキャナの高速化を妨げる要因になる。   However, in the conventional AFM, the limit of speeding up the scanner is low. More specifically, in the conventional AFM, the scanner is constituted by a piezo element (piezoelectric element) having a macro size. The sample stage is scanned in a three-dimensional direction of XYZ by a scanner. The feedback scan is a Z-direction scan, and is a faster scan than the XY-direction scan. This Z-direction scanning needs to be performed in a region below the resonance frequency of the piezo element. Therefore, in order to increase the scanning speed, it is necessary to increase the resonance frequency of the Z-direction scanning piezo element. However, since the piezo element has a macro size compared to a cantilever or the like, the resonance frequency of the piezo element is low. This is a factor that hinders the speeding up of the scanner.

フィードバック走査では、試料ステージをZ方向に動かす代わりにカンチレバーがZ方向に動かされてもよい。そこで、MEMS技術を用いてカンチレバーに圧電薄膜を導入することにより、自己アクチュエーション機能を持ったカンチレバーが開発されている。この場合、カンチレバーは試料ステージスキャナに比べて非常に小さいので、共振周波数を容易に上げることができる。したがって、フィードバック走査の高速化が容易である。しかしながら、自己アクチュエーション機能を備えるために、カンチレバーの構造が複雑になり、また、カンチレバーが非常に硬くなってしまう。そのため、自己アクチュエーションタイプのカンチレバーは、生体高分子や合成高分子などの脆く柔らかい試料の測定に使いにくいという限界をもっている。   In feedback scanning, the cantilever may be moved in the Z direction instead of moving the sample stage in the Z direction. Therefore, a cantilever having a self-actuation function has been developed by introducing a piezoelectric thin film into the cantilever using MEMS technology. In this case, since the cantilever is much smaller than the sample stage scanner, the resonance frequency can be easily increased. Therefore, it is easy to speed up the feedback scanning. However, since the self-actuation function is provided, the structure of the cantilever becomes complicated, and the cantilever becomes very hard. For this reason, the self-actuation type cantilever has a limitation that it is difficult to use for measuring fragile and soft samples such as biopolymers and synthetic polymers.

「カンチレバーのQ値制御について」
ところで、カンチレバーは一種の共振系である。共振スペクトル(励振力の周波数に対するカンチレバーの変位の関係)の鋭さを表す量として、Q値(Quality factor)がある。共振系にかかる粘性抵抗が小さいほどQ値は大きくなる。逆に、粘性抵抗が大きいとQ値は小さくなる。
“Cantilever Q-factor control”
By the way, the cantilever is a kind of resonance system. As a quantity representing the sharpness of the resonance spectrum (the relationship of the displacement of the cantilever with the frequency of the excitation force), there is a Q factor (Quality factor). The Q value increases as the viscous resistance applied to the resonance system decreases. Conversely, when the viscous resistance is large, the Q value becomes small.

共振系の応答速度はπf/Qで表される。ここで、fは共振周波数である。Q値が大きいほど応答速度が遅くなる。一方、外力に対する共振系の変位感度については、Q値が大きいほど変位感度が高くなる。   The response speed of the resonance system is represented by πf / Q. Here, f is a resonance frequency. The larger the Q value, the slower the response speed. On the other hand, regarding the displacement sensitivity of the resonance system with respect to external force, the displacement sensitivity increases as the Q value increases.

カンチレバーのQ値を人工的に変化させるQ値制御は、既に提案されている。Q値制御の原理は以下の通りである。共振系の運動方程式が、下記に示される。

Figure 0005164147
Q value control for artificially changing the Q value of the cantilever has already been proposed. The principle of Q value control is as follows. The equation of motion of the resonant system is shown below.
Figure 0005164147

変位xが検出され、変位xが時間微分され、さらに時間微分に係数αが掛けられる。この値が励振力F(t)に加算または減算されて、下式が得られる。

Figure 0005164147
The displacement x is detected, the displacement x is time differentiated, and the time differentiation is multiplied by a coefficient α. This value is added to or subtracted from the excitation force F (t) to obtain the following expression.
Figure 0005164147

ここで、加算(+)の場合、粘性抵抗が小さくなり、その結果、Q値が大きくなる。減算(−)の場合、粘性抵抗が大きくなり、Q値は小さくなる。このようにして任意にQ値を大きくしたり、小さくしたりすることができる。これにより、応答速度および変位感度を調整することができる。   Here, in the case of addition (+), the viscous resistance decreases, and as a result, the Q value increases. In the case of subtraction (-), the viscous resistance increases and the Q value decreases. In this way, the Q value can be arbitrarily increased or decreased. Thereby, the response speed and the displacement sensitivity can be adjusted.

カンチレバーのQ値制御は、上記の式に示されるように、カンチレバーに外力を加える制御であり、何らかの媒体を介してカンチレバーに外力を加えることが考えられる。しかし、位相の遅れが生じてしまうので、時間微分によって位相が90度変わるべきであるにもかかわらず、位相が正確に90度にならない。そのため、制御が容易でない。また、媒体を介して外力を与える場合、周囲の力学要素も共振周波数をもつ。そのため、カンチレバーの共振周波数に外力の周波数を正確に合わせることが難しくなる。   The Q value control of the cantilever is control for applying an external force to the cantilever, as shown in the above formula, and it is conceivable to apply an external force to the cantilever via some medium. However, since a phase delay occurs, the phase does not accurately become 90 degrees even though the phase should change 90 degrees by time differentiation. Therefore, control is not easy. When an external force is applied through the medium, surrounding mechanical elements also have a resonance frequency. Therefore, it becomes difficult to accurately match the frequency of the external force with the resonance frequency of the cantilever.

このような事項を考慮すると、Q値制御では、カンチレバーに直接外力を加えることが望まれる。そこで、従来は、カンチレバーに強磁性体が取り付けられている。あるいは、カンチレバーが強磁性体薄膜でコートされる。そして、電磁石によって外力がカンチレバーに加えられる。また、自己アクチュエーション機能を備えたカンチレバーにおいても、カンチレバーに直接外力を及ぼすことができる。しかしながら、このような構成では、カンチレバーの特殊加工が必要であり、また、カンチレバーの力学特性(共振周波数およびばね定数)が変わってしまう。   Considering such matters, it is desirable to apply an external force directly to the cantilever in the Q value control. Therefore, conventionally, a ferromagnetic material is attached to the cantilever. Alternatively, the cantilever is coated with a ferromagnetic thin film. An external force is applied to the cantilever by the electromagnet. Even in a cantilever having a self-actuation function, an external force can be directly applied to the cantilever. However, in such a configuration, special processing of the cantilever is necessary, and the mechanical characteristics (resonance frequency and spring constant) of the cantilever change.

また、関連技術が特開2004−212078号公報に開示されている。この関連技術では、カンチレバーにレーザー光が照射されて、レーザー光によってカンチレバーが励振される。   A related technique is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-212078. In this related technique, the cantilever is irradiated with laser light, and the cantilever is excited by the laser light.

上述したように、従来のAFMでは、Z方向の走査速度が遅く、そのために測定速度も遅かった。また、従来のAFMでは、Q値制御に改善の余地があった。   As described above, in the conventional AFM, the scanning speed in the Z direction is slow, and therefore the measurement speed is slow. Further, the conventional AFM has room for improvement in the Q value control.

本発明は上記背景の下でなされたものである。本発明の目的の一つは、走査速度を向上できる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。   The present invention has been made under the above background. One of the objects of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of improving the scanning speed.

また、本発明の目的の一つは、Q値制御を好適に行える走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of suitably controlling the Q value.

本発明の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーの変位を検出するセンサと、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、光照射部の光の強度を制御してカンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、を備え、光照射制御部は、センサにより検出された変位に基づいて光照射部の光の強度を制御することによってカンチレバーのフィードバック制御を行う。   The scanning probe microscope of the present invention includes a cantilever, a sensor for detecting the displacement of the cantilever, a light irradiation unit that irradiates light to the cantilever to cause thermal expansion deformation, and controls the light intensity of the light irradiation unit. A light irradiation control unit that changes the displacement of the cantilever, and the light irradiation control unit performs feedback control of the cantilever by controlling the light intensity of the light irradiation unit based on the displacement detected by the sensor.

この構成により、カンチレバーに光が照射されて、熱膨張変形によってカンチレバーが変位する。この変位を利用してZ方向の走査が行われる。カンチレバーは非常に小さく、高い共振周波数を持つ。したがって、Z走査の構成の共振周波数が高くなり、走査速度を増大できる。また、従来の自己アクチュエーションタイプのカンチレバーに見られるようにカンチレバーが硬くなるのを回避することができる。   With this configuration, the cantilever is irradiated with light, and the cantilever is displaced by thermal expansion deformation. Scanning in the Z direction is performed using this displacement. The cantilever is very small and has a high resonance frequency. Therefore, the resonance frequency of the Z scanning configuration is increased, and the scanning speed can be increased. Moreover, it can avoid that a cantilever becomes hard like the conventional self-actuation type cantilever.

また、光照射制御部は、光照射部からの光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部を備えてよい。熱応答補償部は、カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数(熱伝達関数の逆数となる関数を意味する、以下同じ)と等価な構成を有してよい。熱応答補償により、熱伝導過程という遅いプロセスを見かけ上はなくすことができる(あるいは大幅に短くできる)。入力である光照射と出力である変位を結びつける要素が、カンチレバーのもともとの力学特性に近くなる。熱膨張による変形の応答速度が高くなるので、高速走査と高速イメージングが可能になる。   The light irradiation control unit may include a thermal response compensation unit that compensates for a delay in the thermal response of the cantilever with respect to the light irradiation from the light irradiation unit. The thermal response compensator may have a configuration equivalent to the inverse transfer function of the cantilever heat transfer function (meaning a function that is the inverse of the heat transfer function, the same applies hereinafter). Thermal response compensation can apparently eliminate (or significantly reduce) the slow process of heat conduction. The element that connects light irradiation as input and displacement as output becomes close to the original mechanical characteristics of the cantilever. Since the response speed of deformation due to thermal expansion is increased, high-speed scanning and high-speed imaging are possible.

また、光照射制御部は、さらに、光照射部の光の強度の制御によってカンチレバーを振動させてよい。カンチレバーの発生すべき振動に応じた振動波形(典型的にはカンチレバーの共振周波数に応じた振動波形)でもって変動するように、光の強度が制御されてよい。光照射によって、カンチレバーの励振とZ走査の両方が行われる。したがって、構造を簡単にすることができる。   Further, the light irradiation control unit may further vibrate the cantilever by controlling the light intensity of the light irradiation unit. The intensity of light may be controlled so as to fluctuate with a vibration waveform (typically a vibration waveform according to the resonance frequency of the cantilever) corresponding to the vibration to be generated by the cantilever. By light irradiation, both excitation of the cantilever and Z scanning are performed. Therefore, the structure can be simplified.

また、光照射制御部は、さらに、センサにより検出された変位に基づいてQ値制御を行うQ値制御部を備えてよい。Q値制御部は、センサにより検出された変位の微分にゲインを付与した値を求める構成を有してよい(ゲインは、Q値制御にて変位の微分に掛けられる係数に相当する)。この構成により、光照射を利用してQ値制御を行うことができる。   Further, the light irradiation control unit may further include a Q value control unit that performs Q value control based on the displacement detected by the sensor. The Q value control unit may have a configuration for obtaining a value obtained by adding a gain to the differential of the displacement detected by the sensor (the gain corresponds to a coefficient multiplied by the differential of the displacement by the Q value control). With this configuration, the Q value can be controlled using light irradiation.

本発明の別の態様において、走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバーと、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、光照射部の光の強度を制御してカンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、を備え、光照射制御部は、光照射部の光の強度の制御によってカンチレバーを振動させる発振制御部と、光照射部からの光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部とを備えている。   In another aspect of the present invention, the scanning probe microscope includes a cantilever, a light irradiation unit that irradiates light to the cantilever to cause thermal expansion deformation, and controls the light intensity of the light irradiation unit to control the displacement of the cantilever. A light irradiation control unit that changes the oscillation control unit that vibrates the cantilever by controlling the light intensity of the light irradiation unit, and the thermal response of the cantilever to the light irradiation from the light irradiation unit. And a thermal response compensator for compensating for the delay.

この態様では、光照射がカンチレバーの励振に使用される。この態様は、光照射をZ走査に適用する構成と、適用しない構成を含む。この態様でも、熱応答補償により、熱伝導過程を見かけ上はなくすことができ(または大幅に短くでき)、カンチレバーの力学的特性が残り、励振を好適に制御できる。この態様でも、カンチレバーの変位に基づいてQ値制御が好適に行われてよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、この態様にも適用可能である。この態様でも本発明の利点が得られる。   In this embodiment, light irradiation is used to excite the cantilever. This aspect includes a configuration in which light irradiation is applied to Z scanning and a configuration in which light irradiation is not applied. Also in this aspect, the heat conduction process can be apparently eliminated (or significantly shortened) by the thermal response compensation, the mechanical characteristics of the cantilever remain, and the excitation can be suitably controlled. Also in this aspect, the Q value control may be suitably performed based on the displacement of the cantilever. Furthermore, various other features of the present invention are also applicable to this embodiment. This aspect also provides the advantages of the present invention.

本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡による観察方法である。この方法は、カンチレバーと試料を相対的にXY方向に移動させ、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、カンチレバーの変位を検出し、検出されたカンチレバーの変位に基づいて光の強度を制御することによってカンチレバーのフィードバック制御を行う。光強度制御は、光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償してよい。光強度制御は、カンチレバーの振動に利用されてよい。光強度制御は、カンチレバーの変位に基づいたQ値制御を行ってよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、この態様にも適用可能である。この態様でも本発明の利点が得られる。   Another aspect of the present invention is an observation method using a scanning probe microscope. In this method, the cantilever and the sample are moved relative to each other in the X and Y directions, light is applied to the cantilever to cause thermal expansion deformation, the displacement of the cantilever is detected, and the intensity of the light is detected based on the detected displacement of the cantilever. The cantilever feedback control is performed by controlling. The light intensity control may compensate for a delay in the thermal response of the cantilever with respect to light irradiation. Light intensity control may be utilized for cantilever vibration. The light intensity control may be Q value control based on the displacement of the cantilever. Furthermore, various other features of the present invention are also applicable to this embodiment. This aspect also provides the advantages of the present invention.

本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡による観察方法である。この方法は、カンチレバーと試料を相対的にXY方向に移動させ、カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、光の強度制御によってカンチレバーを振動させ、かつ、光の強度制御によって光の照射に対するカンチレバーの熱応答の遅れを補償する。光強度制御は、カンチレバーの変位に基づいたQ値制御を行ってよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、この態様にも適用可能である。この態様でも本発明の利点が得られる。   Another aspect of the present invention is an observation method using a scanning probe microscope. In this method, the cantilever and the sample are moved relative to each other in the X and Y directions, light is irradiated to the cantilever to cause thermal expansion deformation, the cantilever is vibrated by controlling the light intensity, and the light is controlled by controlling the light intensity. Compensate for delay in thermal response of cantilever to irradiation. The light intensity control may be Q value control based on the displacement of the cantilever. Furthermore, various other features of the present invention are also applicable to this embodiment. This aspect also provides the advantages of the present invention.

本発明の範囲内で、本発明の表現は、上述の走査型プローブ顕微鏡およびそれを用いた観察方法に限定されなくてよい。本発明の別の態様は、例えば、原子間力顕微鏡およびそれを用いた観察方法でよい。本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡または原子力間顕微鏡の、駆動装置または駆動方法でよい。また、本発明の別の態様は、カンチレバー駆動装置またはカンチレバー駆動方法でよい。さらに、本発明の別の態様は、上述の装置の制御装置または制御方法でよい。これらの態様は、上述のカンチレバーの駆動のための構成を備えてよい。さらに、本発明のその他の各種特徴が、これらの態様にも適用可能である。これらの態様でも本発明の利点が得られる。   Within the scope of the present invention, the expression of the present invention need not be limited to the scanning probe microscope described above and the observation method using the same. Another aspect of the present invention may be, for example, an atomic force microscope and an observation method using the same. Another aspect of the present invention may be a driving device or a driving method of a scanning probe microscope or an atomic force microscope. Another aspect of the present invention may be a cantilever driving device or a cantilever driving method. Furthermore, another aspect of the present invention may be a control device or a control method for the above-described device. These aspects may include a configuration for driving the cantilever described above. Furthermore, various other features of the present invention are also applicable to these embodiments. These aspects also provide the advantages of the present invention.

上述した本発明によれば、光照射を上手く利用することによって走査速度の向上を可能とすることができ、また、Q値制御を容易にすることができる。   According to the above-described present invention, it is possible to improve the scanning speed by making good use of light irradiation, and it is possible to facilitate the Q value control.

以下に説明するように、本発明には他の態様が存在する。したがって、この発明の開示は、本発明の一部の態様の提供を意図しており、ここで記述され請求される発明の範囲を制限することは意図していない。   As described below, there are other aspects of the present invention. Accordingly, this disclosure is intended to provide some aspects of the invention and is not intended to limit the scope of the invention described and claimed herein.

図1は、本実施の形態に係るAFMの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an AFM according to the present embodiment. 図2は、光照射によるカンチレバーの変形を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing deformation of the cantilever by light irradiation. 図3は、カンチレバーの例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a cantilever. 図4は、光照射からレバー変位までのプロセスを示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a process from light irradiation to lever displacement. 図5は、カンチレバーの熱応答特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the thermal response characteristics of the cantilever. 図6は、熱応答補償回路の構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the thermal response compensation circuit. 図7は、熱応答補償の効果を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the effect of thermal response compensation. 図8は、熱応答補償の効果を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating the effect of thermal response compensation. 図9は、熱応答補償の効果を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating the effect of thermal response compensation. 図10は、熱応答補償の効果を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating the effect of thermal response compensation. 図11は、熱応答補償の効果を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating the effect of thermal response compensation. 図12は、別の実施の形態に係るAFMの構成を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of an AFM according to another embodiment. 図13は、別の実施の形態に係るAFMの構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of an AFM according to another embodiment. 図14は、Q値制御回路の構成を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the configuration of the Q value control circuit. 図15は、Q値制御の効果を示す図である。FIG. 15 is a diagram illustrating the effect of Q value control. 図16は、Q値制御の効果を示す図である。FIG. 16 is a diagram illustrating the effect of Q value control. 図17は、Q値制御の効果を示す図である。FIG. 17 is a diagram illustrating the effect of Q value control. 図18は、Q値制御の効果を示す図である。FIG. 18 is a diagram illustrating the effect of Q value control.

以下に本発明の詳細な説明を述べる。ただし、以下の詳細な説明と添付の図面は発明を限定するものではない。代わりに、発明の範囲は添付の請求の範囲により規定される。   The detailed description of the present invention will be described below. However, the following detailed description and the accompanying drawings do not limit the invention. Instead, the scope of the invention is defined by the appended claims.

本実施の形態では、本発明が原子間力顕微鏡(AFM)に適用される。   In the present embodiment, the present invention is applied to an atomic force microscope (AFM).

図1は、本実施の形態に係るAFMの構成を示している。AFM1は、全体構成としては、試料を保持する試料ステージ3と、カンチレバー5と、試料ステージ3をXY方向に駆動するXYスキャナ7と、カンチレバー5の変位を検出するセンサ9と、カンチレバー5に対して光照射を行う駆動レーザユニット11と、駆動レーザユニット11を制御する駆動レーザ制御部13と、装置全体を制御するコンピュータ15とを備えている。   FIG. 1 shows the configuration of the AFM according to the present embodiment. The AFM 1 has, as a whole structure, a sample stage 3 that holds a sample, a cantilever 5, an XY scanner 7 that drives the sample stage 3 in the XY direction, a sensor 9 that detects displacement of the cantilever 5, and a cantilever 5 A drive laser unit 11 that performs light irradiation, a drive laser control unit 13 that controls the drive laser unit 11, and a computer 15 that controls the entire apparatus.

カンチレバー5は、窒化シリコン製であり、自由端に探針を有している。カンチレバー5の光照射面(図の下側)には金がコーティングされている。光照射面には、変位検知用のセンサレーザ光と、レバー駆動用の駆動レーザ光が照射される。   The cantilever 5 is made of silicon nitride and has a probe at the free end. The light irradiation surface (the lower side of the figure) of the cantilever 5 is coated with gold. The light irradiation surface is irradiated with a sensor laser beam for detecting displacement and a driving laser beam for driving the lever.

カンチレバー5はホルダ21に保持されており、ホルダ21は発振回路23によって励振される。発振回路23から供給される励振信号に応じて、ホルダ21の振動子が振動し、これによりカンチレバー5が振動する。カンチレバー5が共振周波数近傍で振動するように、発振回路23がコンピュータ15により制御される。   The cantilever 5 is held by a holder 21, and the holder 21 is excited by an oscillation circuit 23. In response to the excitation signal supplied from the oscillation circuit 23, the vibrator of the holder 21 vibrates, and thereby the cantilever 5 vibrates. The oscillation circuit 23 is controlled by the computer 15 so that the cantilever 5 vibrates in the vicinity of the resonance frequency.

XYスキャナ7はピエゾ素子(圧電素子)で構成されている。XYスキャナ7はXY走査制御回路25によって制御される。XY走査制御回路25には、コンピュータ15からXY走査(ラスター走査)の制御信号が入力される。XY走査制御回路25は、制御信号に従ってXYスキャナ7を駆動する。これにより、試料ステージ3がXY方向に移動し、XY方向の走査が実現される。   The XY scanner 7 is composed of a piezo element (piezoelectric element). The XY scanner 7 is controlled by an XY scan control circuit 25. An XY scanning (raster scanning) control signal is input from the computer 15 to the XY scanning control circuit 25. The XY scanning control circuit 25 drives the XY scanner 7 according to the control signal. Thereby, the sample stage 3 moves in the XY directions, and scanning in the XY directions is realized.

センサ9は、センサレーザユニット27と共に、光てこ式の変位センサを構成している。センサレーザユニット27は、センサレーザ光をカンチレバー5に照射する。センサレーザ光は赤色レーザ光(波長670nm)である。センサレーザ光は、カンチレバー5の金コーティング面で反射してセンサ9に届く。センサ9はフォトダイオードで構成されており、カンチレバー5の変位を表す信号を出力する。図では、センサに関連したレンズ等の光学系の構成は省略されている。   The sensor 9 and the sensor laser unit 27 constitute an optical lever type displacement sensor. The sensor laser unit 27 irradiates the cantilever 5 with sensor laser light. The sensor laser light is red laser light (wavelength 670 nm). The sensor laser light is reflected by the gold coating surface of the cantilever 5 and reaches the sensor 9. The sensor 9 is composed of a photodiode and outputs a signal representing the displacement of the cantilever 5. In the figure, the configuration of an optical system such as a lens related to the sensor is omitted.

駆動レーザユニット11は、駆動レーザ光をカンチレバー5に照射する。駆動レーザ光は、本実施の形態では可視光レーザである。駆動レーザ光の波長は、金コートの光吸収能力が高くなる値に設定されている。具体的には、駆動レーザ光は紫色レーザ光であり、波長は405nmである。駆動レーザ光が照射されると、カンチレバー5に熱膨張が生じる。カンチレバー5を構成する窒化シリコンと金コートでは熱膨張率が異なるので、カンチレバー5がバイメタルの機能を果たす。そして、図2に示されるように、カンチレバー5の撓み変形が生じる。これにより、カンチレバー5のZ方向の変位が得られる。図では、駆動レーザに関連したレンズ等の光学系の構成が省略されている。   The drive laser unit 11 irradiates the cantilever 5 with drive laser light. The driving laser light is a visible light laser in this embodiment. The wavelength of the drive laser light is set to a value that increases the light absorption capability of the gold coat. Specifically, the driving laser beam is a violet laser beam and the wavelength is 405 nm. When the drive laser light is irradiated, the cantilever 5 is thermally expanded. Since the thermal expansion coefficient is different between the silicon nitride and the gold coat constituting the cantilever 5, the cantilever 5 functions as a bimetal. Then, as shown in FIG. 2, the cantilever 5 is bent and deformed. Thereby, the displacement of the cantilever 5 in the Z direction is obtained. In the figure, the configuration of an optical system such as a lens related to the drive laser is omitted.

駆動レーザユニット11は駆動レーザ制御部13によって制御されている。駆動レーザ制御部13は、駆動レーザユニット11に照射制御信号を供給することにより、駆動レーザユニット11を制御する。照射制御信号は、変調入力信号である。変調入力信号に応じて、レーザに強度変調をかける。変調強度がカンチレバー5の変位の制御に利用される。レーザ光強度に応じてカンチレバー5の変形量が変わり、そして、Z方向の変位が変化する。   The drive laser unit 11 is controlled by a drive laser control unit 13. The drive laser control unit 13 controls the drive laser unit 11 by supplying an irradiation control signal to the drive laser unit 11. The irradiation control signal is a modulation input signal. Intensity modulation is applied to the laser in accordance with the modulation input signal. The modulation intensity is used for controlling the displacement of the cantilever 5. The amount of deformation of the cantilever 5 changes according to the laser light intensity, and the displacement in the Z direction changes.

本実施の形態では、駆動レーザ制御部13が、駆動レーザ光の変調強度の制御によってカンチレバー5の変位を制御し、これにより、下記のようにしてZ走査制御部として機能する。   In the present embodiment, the drive laser control unit 13 controls the displacement of the cantilever 5 by controlling the modulation intensity of the drive laser beam, thereby functioning as a Z scan control unit as described below.

駆動レーザ制御部13には、コンピュータ15から基準変位および基準振幅の信号が入力される。基準変位は、カンチレバー5の初期変位であり、オフセット変位ということもできる。基準振幅は、フィードバック制御の目標になるカンチレバー5の振幅である。駆動レーザ制御部13には、さらに、センサ9からカンチレバー5の変位が入力される。駆動レーザ制御部13は、基準変位に従ってレーザ光強度を制御すると共に、基準振幅とレバー変位に基づいてレバー振幅が基準振幅と一致するようにレーザ光強度のフィードバック制御を行う。これにより、カンチレバー5の振幅が一定に保たれる。   The drive laser controller 13 receives signals of a reference displacement and a reference amplitude from the computer 15. The reference displacement is an initial displacement of the cantilever 5 and can also be referred to as an offset displacement. The reference amplitude is the amplitude of the cantilever 5 that is a target of feedback control. Further, the displacement of the cantilever 5 is input from the sensor 9 to the drive laser controller 13. The drive laser controller 13 controls the laser beam intensity according to the reference displacement, and performs feedback control of the laser beam intensity so that the lever amplitude matches the reference amplitude based on the reference amplitude and the lever displacement. Thereby, the amplitude of the cantilever 5 is kept constant.

駆動レーザ制御部13は、フィードバック制御のために、振幅検出回路31とフィードバック回路33を含む。振幅検出回路31は、センサ9から入力されるカンチレバー5の変位の信号を処理してカンチレバー5の振幅を求める。そして、振幅検出回路31は、検出された振幅の信号をフィードバック回路33に出力する。   The drive laser control unit 13 includes an amplitude detection circuit 31 and a feedback circuit 33 for feedback control. The amplitude detection circuit 31 obtains the amplitude of the cantilever 5 by processing the displacement signal of the cantilever 5 input from the sensor 9. Then, the amplitude detection circuit 31 outputs a detected amplitude signal to the feedback circuit 33.

フィードバック回路33は、基準振幅信号から検出振幅信号を減算して偏差信号を生成する減算器と、偏差信号を増幅するPID回路とを備えている。これら構成によってフィードバック信号が生成される。   The feedback circuit 33 includes a subtracter that generates a deviation signal by subtracting the detected amplitude signal from the reference amplitude signal, and a PID circuit that amplifies the deviation signal. With these configurations, a feedback signal is generated.

フィードバック信号は、コンピュータ15から入力される基準変位の信号と加算される。こうして得られる照射制御信号が、熱応答補償回路35に供給される。熱応答補償回路35は、光照射に対するカンチレバー5の熱応答の遅れを補償する回路である。熱応答補償回路35については後述する。   The feedback signal is added to the reference displacement signal input from the computer 15. The irradiation control signal thus obtained is supplied to the thermal response compensation circuit 35. The thermal response compensation circuit 35 is a circuit that compensates for a delay in thermal response of the cantilever 5 with respect to light irradiation. The thermal response compensation circuit 35 will be described later.

熱応答補償回路35を経た照射制御信号は、駆動レーザユニット11に供給される。そして、この照射制御信号に従って駆動レーザ光の強度が変動し、カンチレバー5の変位が変動する。照射制御信号が、レバー変位に基づいて求められた振幅の信号を処理したフィードバック制御信号から作られているので、レーザ光強度がフィードバック信号に応じて変動し、カンチレバー5のZ方向の変位もフィードバック信号に応じて変動する。このようにして、カンチレバー5のフィードバック制御が実現される。   The irradiation control signal that has passed through the thermal response compensation circuit 35 is supplied to the drive laser unit 11. Then, the intensity of the drive laser light varies according to the irradiation control signal, and the displacement of the cantilever 5 varies. Since the irradiation control signal is made from the feedback control signal obtained by processing the amplitude signal obtained based on the lever displacement, the laser beam intensity varies according to the feedback signal, and the displacement of the cantilever 5 in the Z direction is also fed back. It varies depending on the signal. In this way, feedback control of the cantilever 5 is realized.

コンピュータ15は、AFM1の全体を制御している。コンピュータ15は、ユーザインターフェース機能も提供する。ユーザの各種の指示がコンピュータ15に入力され、コンピュータ15はユーザの入力に従ってAFM1を制御する。また、コンピュータ15には、駆動レーザ制御部13のフィードバック回路33からフィードバック信号が入力される。コンピュータ15は、XY走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の3次元画像を生成し、3次元画像をモニタ41に表示する。   The computer 15 controls the entire AFM 1. The computer 15 also provides a user interface function. Various user instructions are input to the computer 15, and the computer 15 controls the AFM 1 in accordance with the user input. Further, the computer 15 receives a feedback signal from the feedback circuit 33 of the drive laser control unit 13. The computer 15 generates a three-dimensional image of the sample surface based on the XY scanning control data and the input feedback signal, and displays the three-dimensional image on the monitor 41.

以上にAFM1の各部の構成について説明した。上記構成は、同様の機能が得られる範囲で変形されてよい。例えば、駆動レーザ制御部13がコンピュータ15に内蔵されてよい。駆動レーザ制御部13の機能を実現するのにソフトウエアが利用されてもよい。コンピュータ15内で処理されるデータが上述の信号に相当してよい。   The configuration of each part of the AFM 1 has been described above. The above configuration may be modified as long as the same function can be obtained. For example, the drive laser control unit 13 may be built in the computer 15. Software may be used to realize the function of the drive laser controller 13. Data processed in the computer 15 may correspond to the above-described signal.

次に、AFM1の全体的な動作を説明する。コンピュータ15は、XY走査制御回路25にXY走査の制御信号を送り、試料ステージ3をXY方向に駆動する。また、コンピュータ15は発振回路23に励振信号を生じさせ、ホルダ21と共にカンチレバー5を振動させる。さらに、コンピュータ15は、駆動レーザ制御部13に基準変位と基準振幅の信号を供給する。駆動レーザ制御部13は、上述したように機能して、カンチレバー5を基準変位までZ方向に変形させるようにカンチレバー5のフィードバック制御を行う。   Next, the overall operation of the AFM 1 will be described. The computer 15 sends an XY scanning control signal to the XY scanning control circuit 25 to drive the sample stage 3 in the XY directions. Further, the computer 15 generates an excitation signal in the oscillation circuit 23 and vibrates the cantilever 5 together with the holder 21. Furthermore, the computer 15 supplies the drive laser controller 13 with signals of reference displacement and reference amplitude. The drive laser controller 13 functions as described above and performs feedback control of the cantilever 5 so as to deform the cantilever 5 in the Z direction to the reference displacement.

このようにして、カンチレバー5が振動した状態で、試料がXY方向に走査され、かつ、カンチレバー5が振幅を一定に保つようにZ方向に走査される。駆動レーザ制御部13のフィードバック信号がコンピュータ15に供給される。コンピュータ15は、XY走査の制御データと、入力されるフィードバック信号とに基づいて、試料表面の3次元画像を生成する。生成された3次元画像は、モニタ41に表示される。   In this way, with the cantilever 5 vibrating, the sample is scanned in the XY direction, and the cantilever 5 is scanned in the Z direction so as to keep the amplitude constant. A feedback signal from the drive laser controller 13 is supplied to the computer 15. The computer 15 generates a three-dimensional image of the sample surface based on the XY scanning control data and the input feedback signal. The generated three-dimensional image is displayed on the monitor 41.

図3は、本実施の形態の具体例におけるカンチレバー5を示しており、カンチレバーの電子顕微鏡写真(15000倍)から作られている。この例では、カンチレバー5が全体的には概ね一様断面を有しており、幅方向の断面形状は長方形である。また、レバーの先端はテーパ形状を有している。レバーの長さは約8μmであり、幅は約2μmであり、厚さ(金コートを含む)は約0.1μmである。金コートは、探針と逆側に施されている。   FIG. 3 shows the cantilever 5 in a specific example of the present embodiment, which is made from an electron micrograph (15000 times) of the cantilever. In this example, the cantilever 5 has a substantially uniform cross section as a whole, and the cross-sectional shape in the width direction is a rectangle. The tip of the lever has a tapered shape. The length of the lever is about 8 μm, the width is about 2 μm, and the thickness (including the gold coat) is about 0.1 μm. The gold coat is applied on the opposite side of the probe.

この例の場合、カンチレバーの共振周波数は、液中で約800kHzであり、大気中で約2.2MHzであり、共振周波数が非常に高い。この共振周波数より低い領域においてカンチレバー5のZ走査が可能である。したがって、従来のピエゾ素子のスキャナ(約1kHz)と比べて走査速度を大幅に増大できる。この例に見られるように、ピエゾ素子は大きいために共振周波数が低く高速駆動が困難なのに対して、カンチレバーは小さいので共振周波数が高く高速駆動が容易である。   In this example, the resonance frequency of the cantilever is about 800 kHz in the liquid and about 2.2 MHz in the atmosphere, and the resonance frequency is very high. Z scanning of the cantilever 5 is possible in a region lower than the resonance frequency. Therefore, the scanning speed can be greatly increased as compared with a conventional piezo element scanner (about 1 kHz). As can be seen from this example, the piezoelectric element is large, so that the resonance frequency is low and it is difficult to drive at high speed, whereas the cantilever is small, so the resonance frequency is high and high speed driving is easy.

また、本実施の形態の具体例では、駆動レーザ光の波長は405nmである。レーザは0〜20mWで強度変調可能であり、最大50MHzで使用可能である。この場合、感度は5〜8nmpp/mWであった。そして最大可動変位は、100〜160nmpp(変調強度20mW時)であった。これらの値が、共振周波数より低い周波数帯域で得られた。したがって、AFMとしては十分な感度と変位を得ることができる。   In the specific example of the present embodiment, the wavelength of the drive laser light is 405 nm. The laser can be modulated in intensity from 0 to 20 mW and can be used at a maximum of 50 MHz. In this case, the sensitivity was 5-8 nmpp / mW. The maximum movable displacement was 100 to 160 nmpp (when the modulation intensity was 20 mW). These values were obtained in a frequency band lower than the resonance frequency. Therefore, sufficient sensitivity and displacement can be obtained as an AFM.

また、本実施の形態では、通常のカンチレバーに光を照射することによって容易にアクチュエーション機能が得られる。すなわち従来の自己アクチュエーションタイプのカンチレバーに見られる複雑な加工が不要である。また、従来の自己アクチュエーションタイプに見られる硬度増大も回避できる(本実施の形態のカンチレバーでは、バネ定数は約150pN/nmである)。さらに、自己アクチュエーションタイプのカンチレバーでは、絶縁の確保も問題になる。しかし、本実施の形態によれば、絶縁の問題も容易に回避される。   In the present embodiment, an actuation function can be easily obtained by irradiating a normal cantilever with light. That is, the complicated processing found in conventional self-actuation type cantilevers is unnecessary. Further, the increase in hardness seen in the conventional self-actuation type can also be avoided (in the cantilever of this embodiment, the spring constant is about 150 pN / nm). Furthermore, in the self-actuation type cantilever, securing insulation is also a problem. However, according to the present embodiment, the problem of insulation can be easily avoided.

「熱応答補償」
次に、熱応答補償回路35について詳細に説明する。図4は、光照射の入力からカンチレバー変位の出力までのプロセスを示している。図4の上段のプロセスは、熱応答補償が行われない場合のプロセスである。光がカンチレバーに吸収され、熱伝導が生じ、熱膨張力が発生し、カンチレバーが変形し、変位が発生する。この一連のプロセスにおいて、光吸収は速いプロセスである(ナノ秒以下)。しかし、熱伝導は遅いプロセスである。そのため、熱伝導が原因で、光照射に対するレバー変位の応答が遅くなる。この応答の遅れは、Z走査の高速化にとって不利である。そこで、本実施の形態では、熱応答補償が行われる。より具体的には、位相補償の原理が導入されて、熱応答補償が実現される。これにより、図4の下段に示されるように、熱伝導のプロセスが見かけ上はなくなり、応答速度が速くなる。
"Thermal response compensation"
Next, the thermal response compensation circuit 35 will be described in detail. FIG. 4 shows a process from the input of light irradiation to the output of cantilever displacement. The upper process of FIG. 4 is a process when thermal response compensation is not performed. Light is absorbed by the cantilever, heat conduction occurs, a thermal expansion force is generated, the cantilever is deformed, and displacement occurs. In this series of processes, light absorption is a fast process (nanosecond or less). However, heat conduction is a slow process. Therefore, the response of lever displacement to light irradiation is delayed due to heat conduction. This delay in response is disadvantageous for speeding up Z scanning. Therefore, in this embodiment, thermal response compensation is performed. More specifically, the principle of phase compensation is introduced to realize thermal response compensation. As a result, as shown in the lower part of FIG. 4, the process of heat conduction apparently disappears and the response speed is increased.

図5は、カンチレバーにレーザ光を照射したときの時間と変位の関係を示している(熱応答補償は行われていない)。図5の例は、上述の具体例のカンチレバーを用いたときの測定結果を示している。図5に示されるように、カンチレバーの変位は、時間経過に応じて徐々に大きくなっており、熱応答が遅い。この遅れは、熱伝導に起因している。   FIG. 5 shows the relationship between time and displacement when the cantilever is irradiated with laser light (thermal response compensation is not performed). The example of FIG. 5 shows a measurement result when the cantilever of the above-described specific example is used. As shown in FIG. 5, the displacement of the cantilever gradually increases with time, and the thermal response is slow. This delay is due to heat conduction.

ここで、図5の熱応答は、電子回路のローパスフィルタのように振る舞っている。すなわち、熱応答の遅れ現象が、ローパスフィルタの遅れと似ている。このような場合、電子回路では、位相補償が好適に適用される。本実施の形態はこの点に着目し、下記に説明するように、電子回路で見られるような位相補償の原理を熱伝導過程に導入している。このような新たな手法によってカンチレバーの熱応答補償を実現している。   Here, the thermal response of FIG. 5 behaves like a low-pass filter of an electronic circuit. That is, the thermal response delay phenomenon is similar to the delay of the low-pass filter. In such a case, phase compensation is preferably applied in the electronic circuit. This embodiment pays attention to this point, and introduces the principle of phase compensation as found in an electronic circuit into the heat conduction process, as will be described below. This new technique realizes thermal response compensation for cantilevers.

図5の例では、熱伝導過程が2つの過程からなると考えることができる。熱伝導過程を、2つの並列なローパスフィルタとみなすことができる。この場合、伝達関数G(s)は、下式で示される通り、2つのローパスフィルタの和で表される。

Figure 0005164147
伝達関数G(s)は、さらに、以下のように変形される。
Figure 0005164147
In the example of FIG. 5, it can be considered that the heat conduction process consists of two processes. The heat transfer process can be regarded as two parallel low-pass filters. In this case, the transfer function G (s) is represented by the sum of two low-pass filters as shown in the following equation.
Figure 0005164147
The transfer function G (s) is further modified as follows.
Figure 0005164147

上記の変形後の式は、2つのローパスフィルタと、(1+微分)項、の積である。このことは、伝達関数G(s)が、直列な、2種類のローパスフィルタと1つの(1+微分)項、と等価であることを意味する。位相補償では、伝達関数G(s)の逆伝達関数が用いられる。逆伝達関数は、2種類の(1+微分)項と1つのローパスフィルタの積になる。図1の熱応答補償回路35は、上記のような逆伝達関数と等価な回路で構成されている。   The equation after the above transformation is the product of two low-pass filters and a (1 + derivative) term. This means that the transfer function G (s) is equivalent to two low-pass filters and one (1 + derivative) term in series. In phase compensation, an inverse transfer function of the transfer function G (s) is used. The inverse transfer function is the product of two types of (1 + derivative) terms and one low-pass filter. The thermal response compensation circuit 35 in FIG. 1 is configured by a circuit equivalent to the above inverse transfer function.

図6は、熱応答補償回路35の構成を示している。図示のように、熱応答補償回路35は、1つのローパスフィルタ35aと、2つの(1+微分)回路35b、35cで構成されており、これらは直列に配置されている。回路35a、35b、35cのパラメータは、カンチレバー5の熱応答の測定結果(図5)に基づいて設定される。より詳細には、測定結果から、実際の熱応答と等価な熱伝達関数が求められ、その逆伝達関数(熱伝達関数の逆数となる関数)が求められる。そして、逆伝達関数に対応するように回路が構成される。   FIG. 6 shows the configuration of the thermal response compensation circuit 35. As illustrated, the thermal response compensation circuit 35 includes one low-pass filter 35a and two (1+ differentiation) circuits 35b and 35c, which are arranged in series. The parameters of the circuits 35a, 35b, and 35c are set based on the measurement result of the thermal response of the cantilever 5 (FIG. 5). More specifically, a heat transfer function equivalent to the actual thermal response is obtained from the measurement result, and its inverse transfer function (a function that is the inverse of the heat transfer function) is obtained. A circuit is configured to correspond to the inverse transfer function.

駆動レーザ光の照射制御信号(フィードバック信号が合成された信号)は、図1に示されるように、熱応答補償回路35に入力され、それから駆動レーザユニット11に供給される。これにより、上述の原理に示される位相補償が好適に実現される。   A drive laser light irradiation control signal (a signal obtained by synthesizing a feedback signal) is input to the thermal response compensation circuit 35 and then supplied to the drive laser unit 11 as shown in FIG. Thereby, the phase compensation shown by the above-mentioned principle is suitably realized.

図7は、位相補償の効果を示している。図7は、図4と同様に、レーザ光が照射されたときのレバー変位の変化を示している。位相補償が行われた結果、レバーの変位が短時間で一定値に達しており、応答速度が速くなっている。   FIG. 7 shows the effect of phase compensation. FIG. 7 shows changes in lever displacement when laser light is irradiated, as in FIG. As a result of the phase compensation, the displacement of the lever reaches a constant value in a short time, and the response speed is increased.

図8は、位相補償の効果を示すもう一つの図である。図8は、カンチレバーの水中での振動特性を示している。横軸は周波数であり、縦軸は振幅である。図中のラインL1(点線)は、計算上のモデルの特性である。ラインL2は、ピエゾ駆動を行った時の特性である。ラインL3は、位相補償無しでレーザー光によりレバーを駆動したときの特性である。ラインL4は、位相補償を行ったときのレーザ駆動の特性である。   FIG. 8 is another diagram showing the effect of phase compensation. FIG. 8 shows the vibration characteristics of the cantilever in water. The horizontal axis is frequency and the vertical axis is amplitude. A line L1 (dotted line) in the figure is a characteristic of the model in calculation. The line L2 is a characteristic when piezo driving is performed. Line L3 is a characteristic when the lever is driven by laser light without phase compensation. Line L4 is a characteristic of laser driving when phase compensation is performed.

図示のように、位相補償を適用することにより、カンチレバーの特性が計算上のモデルとほぼ一致する。このことは、入力である光照射と出力である変位を結びつける要素が、カンチレバー自身の力学特性だけになることを意味している。したがって、光照射に対するレバー変位の応答速度が速くなる。   As shown in the figure, by applying the phase compensation, the characteristics of the cantilever almost coincide with the calculated model. This means that the element that connects light irradiation as input and displacement as output is only the mechanical characteristics of the cantilever itself. Therefore, the response speed of lever displacement with respect to light irradiation is increased.

また、図8に示されるように、本実施の形態では、水中にあるカンチレバーをレーザ光で駆動しており、共振周波数が800kHz程度であり、非常に高い。共振周波数より下の領域では、Z走査を行うことが可能である。このことは、Z走査の走査速度を従来よりも大幅に増大できることを意味する。   Further, as shown in FIG. 8, in the present embodiment, a cantilever in water is driven by laser light, and the resonance frequency is about 800 kHz, which is very high. In a region below the resonance frequency, Z scanning can be performed. This means that the scanning speed of the Z scanning can be greatly increased as compared with the prior art.

図9〜図11は、位相補償の効果を示すさらに別の図である。図9〜図11は、カンチレバー変位の矩形波応答を示している。図9は測定データであり、図10、図11はシミュレーション結果である。図中の上段は熱応答補償回路35への入力であり、中段は同回路35の出力であり、下段はカンチレバーの変位である。図9、図10では、10μs時にて熱応答補償回路35にステップ入力が行われ、レーザ強度が矩形波的に変えられている。図11では、同様に20μs時にてレーザ強度が変えられている。これらの図でも、位相補償による応答速度の増大が現れている。   9 to 11 are still other diagrams showing the effect of phase compensation. 9 to 11 show the rectangular wave response of the cantilever displacement. FIG. 9 shows measurement data, and FIGS. 10 and 11 show simulation results. The upper stage in the figure is the input to the thermal response compensation circuit 35, the middle stage is the output of the circuit 35, and the lower stage is the displacement of the cantilever. In FIG. 9 and FIG. 10, step input is performed to the thermal response compensation circuit 35 at 10 μs, and the laser intensity is changed like a rectangular wave. In FIG. 11, similarly, the laser intensity is changed at 20 μs. Also in these figures, an increase in response speed due to phase compensation appears.

以上に本発明の好適な実施の形態について説明した。本実施の形態では、駆動レーザ制御部13が光照射制御部の一形態であり、特に、フィードバック回路33がZ走査制御部として機能している。また、熱応答補償回路35が熱応答補償部の一形態である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. In the present embodiment, the drive laser control unit 13 is a form of the light irradiation control unit, and in particular, the feedback circuit 33 functions as a Z scanning control unit. The thermal response compensation circuit 35 is one form of a thermal response compensation unit.

本実施の形態によれば、カンチレバーに光が照射されて、熱膨張変形によってカンチレバーが変位する。この変位を利用してZ方向の走査が行われる。したがって、Z走査の構成の動作周波数を高くして、走査速度を増大できる。また、従来の自己アクチュエーションタイプのカンチレバーに見られるようにカンチレバーを硬くするのを回避することができる。   According to the present embodiment, the cantilever is irradiated with light, and the cantilever is displaced by thermal expansion deformation. Scanning in the Z direction is performed using this displacement. Accordingly, it is possible to increase the scanning frequency by increasing the operating frequency of the Z scanning configuration. Further, it is possible to avoid hardening the cantilever as seen in the conventional self-actuation type cantilever.

カンチレバーは、熱膨張率が異なる複数の層を有している。複数の層の熱膨張率の差に応じてZ方向に撓み変形し、これによりZ方向の変位が得られる。   The cantilever has a plurality of layers having different coefficients of thermal expansion. Depending on the difference in coefficient of thermal expansion of the plurality of layers, it bends and deforms in the Z direction, thereby obtaining displacement in the Z direction.

より詳細には、カンチレバーは、窒化シリコンに金がコーティングされた構成を有している。この金コーティングに光が照射される。金は、可視光領域の光を吸収し、また、高い熱膨張率を有する。したがって、金コーティングを使うことによってカンチレバーの変位が好適に得られる。   More specifically, the cantilever has a configuration in which gold is coated on silicon nitride. The gold coating is irradiated with light. Gold absorbs light in the visible light region and has a high coefficient of thermal expansion. Therefore, the displacement of the cantilever can be suitably obtained by using the gold coating.

また、光てこ式センサの光を反射するために、カンチレバーに従来から金コーティングが施されている。この金コーティングを活用することができる点でも本発明は有利である。   Moreover, in order to reflect the light of an optical lever type sensor, the cantilever has been conventionally coated with gold. The present invention is also advantageous in that this gold coating can be utilized.

また、本実施の形態は熱応答補償部を備えている。より詳細には、熱応答がローパスフィルタの振る舞いを見せることに着目して、位相補償が行われている。熱応答補償部が、カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有し、これにより位相補償を行うことができる。熱応答補償により、熱伝導過程という遅いプロセスを見かけ上はなくすことができる(あるいは大幅に短くできる)。   In addition, the present embodiment includes a thermal response compensation unit. More specifically, phase compensation is performed by paying attention to the fact that the thermal response shows the behavior of a low-pass filter. The thermal response compensator has a configuration equivalent to the inverse transfer function of the heat transfer function of the cantilever, whereby phase compensation can be performed. Thermal response compensation can apparently eliminate (or significantly reduce) the slow process of heat conduction.

したがって、入力である光照射と出力である変位を結びつける要素が、カンチレバー自身の力学特性に近くなる。すなわち、熱膨張に伴う変形の応答速度を、レバー構造体が持つもともとの力学特性に従った変形の応答速度とほぼ同じにできる。その結果、熱膨張による変形の応答速度が高くなり、高速走査とそれによる高速イメージングが可能になる。   Therefore, an element that links light irradiation as input and displacement as output is close to the mechanical characteristics of the cantilever itself. That is, the deformation response speed associated with thermal expansion can be made substantially the same as the deformation response speed according to the original mechanical characteristics of the lever structure. As a result, the response speed of deformation due to thermal expansion is increased, and high-speed scanning and high-speed imaging thereby are possible.

「レバー振動制御」
次に、図12は、別の実施の形態を示している。上述の実施の形態では、Z走査が光照射によって行われた。本実施の形態では、Z走査に加えて、カンチレバーの励振が、光照射によって行われる。以下、上述の実施の形態と同様の事項の説明は省略する。
"Lever vibration control"
Next, FIG. 12 shows another embodiment. In the above-described embodiment, Z scanning is performed by light irradiation. In this embodiment, in addition to Z scanning, the cantilever is excited by light irradiation. Hereinafter, description of matters similar to those of the above-described embodiment will be omitted.

図12のAFM101では、ホルダー21の発振回路が削除されている。その代わりに、駆動レーザ制御部13が発振回路51を備えている。発振回路51は、コンピュータ15に制御されて、励振信号を生成する。この励振信号は、カンチレバーの共振周波数の振動波形をもつ信号である。この励振信号が、駆動レーザ制御部13の照射制御信号に加算される。元々のDC成分の照射制御信号に、AC成分の信号が加えられることになる。   In the AFM 101 of FIG. 12, the oscillation circuit of the holder 21 is deleted. Instead, the drive laser control unit 13 includes an oscillation circuit 51. The oscillation circuit 51 is controlled by the computer 15 to generate an excitation signal. This excitation signal is a signal having a vibration waveform of the resonance frequency of the cantilever. This excitation signal is added to the irradiation control signal of the drive laser controller 13. The AC component signal is added to the original DC component irradiation control signal.

このような照射制御信号が、熱応答補償回路35を経て、駆動レーザユニット11に供給されることになる。したがって、レーザ光強度は、カンチレバー5の共振周波数と同じ周波数で変調される。同時に、レーザ光強度のDC成分は、カンチレバー5の基準変位に応じた値になり、かつ、フィードバック制御によって調節される。カンチレバー5の変位も、レーザ光強度に応じて変化する。こうして、光照射によって、カンチレバー5を共振周波数で振動させながら、平均の変位(振動するカンチレバーの変位の中心)をフィードバック制御できる。すなわち、カンチレバー5の励振とZ走査を一つのレーザユニットで行うことができる。   Such an irradiation control signal is supplied to the drive laser unit 11 via the thermal response compensation circuit 35. Therefore, the laser light intensity is modulated at the same frequency as the resonance frequency of the cantilever 5. At the same time, the DC component of the laser light intensity becomes a value corresponding to the reference displacement of the cantilever 5 and is adjusted by feedback control. The displacement of the cantilever 5 also changes according to the laser beam intensity. In this way, the average displacement (center of displacement of the vibrating cantilever) can be feedback controlled while the cantilever 5 is vibrated at the resonance frequency by light irradiation. That is, excitation of the cantilever 5 and Z scanning can be performed by one laser unit.

以上に図12の実施の形態に係るAFMについて説明した。本実施の形態では、発振回路51が本発明の発振制御部として機能する。本実施の形態によれば、光照射によってカンチレバーの励振とZ走査の両方が行われる。これにより、高速走査が可能になる。また、カンチレバーの機械的な励振が不要になり、構造を簡単にすることができる。   The AFM according to the embodiment of FIG. 12 has been described above. In the present embodiment, the oscillation circuit 51 functions as the oscillation control unit of the present invention. According to the present embodiment, both cantilever excitation and Z scanning are performed by light irradiation. Thereby, high-speed scanning becomes possible. In addition, mechanical excitation of the cantilever is not necessary, and the structure can be simplified.

「Q値制御」
図13は、さらに別の実施の形態を示している。図13では、さらに、Q値制御のための構成が追加されている。以下、上述の実施の形態と同様の事項の説明は省略する。
"Q value control"
FIG. 13 shows still another embodiment. In FIG. 13, a configuration for Q value control is further added. Hereinafter, description of matters similar to those of the above-described embodiment will be omitted.

Q値(quality factor)は、振動の状態を現す無次元数であり、共振スペクトル(振動の周波数と変位の関係)の鋭さを現すパラメータである。Q値は、ω0/(ω2−ω1)で現される。ω0は、共振ピークでの共振周波数である。ω1、ω2は、共振ピークの左側および右側において振動エネルギーが半値になる周波数である。   The Q value (quality factor) is a dimensionless number that represents the state of vibration, and is a parameter that represents the sharpness of the resonance spectrum (relationship between vibration frequency and displacement). The Q value is expressed as ω0 / (ω2−ω1). ω 0 is the resonance frequency at the resonance peak. ω1 and ω2 are frequencies at which the vibration energy becomes half value on the left and right sides of the resonance peak.

カンチレバーの応答速度を上げることは、AFMの走査速度の高速化に寄与する。カンチレバーを含むすべての機械デバイスの応答速度は、デバイスの共振の共振周波数(f)とQ値を用いて、πf/Qという式で記述される。応答速度を上げるには、共振周波数を上げるか、Q値を下げることが有効であることが分かる。しかし、共振周波数およびQ値は、カンチレバーの形状および測定環境によって決まる値である。共振周波数およびQ値が大きく変わるようなカンチレバーを製作することは容易ではない。   Increasing the response speed of the cantilever contributes to increasing the scanning speed of the AFM. The response speed of all mechanical devices including the cantilever is described by the equation πf / Q using the resonance frequency (f) of the device resonance and the Q value. It can be seen that increasing the resonance frequency or decreasing the Q value is effective for increasing the response speed. However, the resonance frequency and the Q value are values determined by the shape of the cantilever and the measurement environment. It is not easy to manufacture a cantilever whose resonance frequency and Q value are greatly changed.

これら特性のうちで、Q値については、共振体のQ値を実効的に制御する方法が知られている。共振体の運動方程式は次のように書かれる。

Figure 0005164147
mは質量であり、γは粘性係数であり、kはバネ定数であり、F(t)は外力を表す。一般解は、下記の通りである。
Figure 0005164147
Among these characteristics, for the Q value, a method for effectively controlling the Q value of the resonator is known. The equation of motion of the resonator is written as follows:
Figure 0005164147
m is mass, γ is a viscosity coefficient, k is a spring constant, and F (t) represents an external force. The general solution is as follows.
Figure 0005164147

ここで、一般解の信号(変位信号)の微分値に、ある増幅率(α)を掛けて、外力に加算(もしくは減算)すると、運動方程式は次のように書かれる。

Figure 0005164147
Here, when the differential value of the general solution signal (displacement signal) is multiplied by a certain amplification factor (α) and added to (or subtracted from) the external force, the equation of motion is written as follows.
Figure 0005164147

この式は、さらに下記のように変形される。「eff」は、実行値を意味する。

Figure 0005164147
This equation is further modified as follows. “Eff” means an execution value.
Figure 0005164147

上記の演算から、Q値の実効値を変化させることが可能であることが分かる。このようなQ値制御をカンチレバーに適用しようとしたとする。この場合のQ値制御は、駆動体のエネルギーでカンチレバーを振動させ、カンチレバーの変位を検出し、変位に応じた外力を付加する制御になる。   From the above calculation, it can be seen that the effective value of the Q value can be changed. It is assumed that such Q value control is applied to the cantilever. In this case, the Q value control is a control in which the cantilever is vibrated by the energy of the driving body, the displacement of the cantilever is detected, and an external force corresponding to the displacement is applied.

しかし、従来のAFMでは、振動子が圧電素子で構成されている。圧電素子を用いた駆動方法では、カンチレバー以外の共振体も振動を起こしてしまう。そのため、Q値制御の演算を行うことができず、Q値制御が困難である(ピエゾ素子のQ値制御の困難さは、図8に示されたピエゾ素子の振動特性におけるピークフォレストからも分かる)。   However, in the conventional AFM, the vibrator is composed of a piezoelectric element. In the driving method using the piezoelectric element, the resonator other than the cantilever also vibrates. Therefore, the calculation of the Q value control cannot be performed, and the Q value control is difficult (the difficulty of the Q value control of the piezo element can be understood from the peak forest in the vibration characteristic of the piezo element shown in FIG. ).

そこで、Q値制御の演算を行うためには、従来の圧電素子とは異なる構成によってカンチレバーのみを直接駆動することが望まれる。直接駆動が可能で有れば、Q値制御が容易になるといえる。このような要求が、本実施の形態のAFMでは満たされている。すなわち、本実施の形態のAFMは、駆動レーザ光によってカンチレバーを直接駆動している。しかも、熱応答補償回路が挿入されているので、熱応答の遅れが補償されている。熱伝導という遅いプロセスが見かけ上はなくなるので、カンチレバーの元々の力学特性が残っている。すなわち、(熱伝導を経ることなく)カンチレバーに直接外力を及ぼしているとみなすことができる。このことを利用して、本実施の形態のAFMは、下記の通り、Q値制御を行うように構成されている。   Therefore, in order to perform the Q value control calculation, it is desirable to directly drive only the cantilever with a configuration different from that of the conventional piezoelectric element. If direct drive is possible, it can be said that Q value control becomes easy. Such a requirement is satisfied in the AFM of the present embodiment. That is, the AFM of this embodiment directly drives the cantilever with the drive laser light. In addition, since a thermal response compensation circuit is inserted, a delay in thermal response is compensated. Since the slow process of heat conduction is apparently gone, the original mechanical properties of the cantilever remain. That is, it can be considered that an external force is directly applied to the cantilever (without passing through heat conduction). Utilizing this fact, the AFM of the present embodiment is configured to perform Q value control as described below.

図13を参照すると、本実施の形態のAFM201では、駆動レーザ制御部13にQ値制御回路61が設けられている。Q値制御回路61には、センサ9からカンチレバー5の変位の信号が入力される。Q値制御回路61は、カンチレバー5の変位の信号を処理して、Q値制御信号を生成する。Q値制御信号は、照射制御信号に加算されて、熱応答補償回路35に入力される。   Referring to FIG. 13, in the AFM 201 of the present embodiment, the drive laser control unit 13 is provided with a Q value control circuit 61. The Q value control circuit 61 receives a displacement signal of the cantilever 5 from the sensor 9. The Q value control circuit 61 processes the displacement signal of the cantilever 5 to generate a Q value control signal. The Q value control signal is added to the irradiation control signal and input to the thermal response compensation circuit 35.

図14は、Q値制御回路61の構成を示している。Q値制御回路61は、微分回路(Differential Amplifier)63とゲイン回路(Gain Amplifier)65で構成されている。カンチレバー5の変位が微分回路63で微分される。そして、微分値にゲイン回路65でゲインが与えられる。こうして生成される信号が、Q値制御信号として、加算器67にて照射制御信号に加算される。したがって、駆動レーザユニット11のレーザ光強度にQ値制御が反映され、そして、カンチレバー5で熱膨張により発生する力にもQ値制御が反映される。こうして、カンチレバー5のQ値制御が実現される。   FIG. 14 shows the configuration of the Q value control circuit 61. The Q value control circuit 61 includes a differentiation circuit (Differential Amplifier) 63 and a gain circuit (Gain Amplifier) 65. The displacement of the cantilever 5 is differentiated by the differentiation circuit 63. Then, a gain is given to the differential value by the gain circuit 65. The signal thus generated is added to the irradiation control signal by the adder 67 as a Q value control signal. Therefore, the Q value control is reflected in the laser beam intensity of the drive laser unit 11, and the Q value control is also reflected in the force generated by the thermal expansion of the cantilever 5. In this way, Q value control of the cantilever 5 is realized.

また、図13に示すように、Q値制御回路61は、コンピュータ15によって制御される。コンピュータ15は、Q値制御回路61における係数(ゲイン)の値を制御する。   As shown in FIG. 13, the Q value control circuit 61 is controlled by the computer 15. The computer 15 controls the coefficient (gain) value in the Q value control circuit 61.

次に、カンチレバーにおけるQ値制御の効果について説明する。図14の構成では、ゲインが正であれば、Q値制御の原理の説明に示されるように、粘性係数(γ)の実効値が小さくなり、Q値が大きくなる。ゲインが負であれば、逆にQ値が小さくなる。   Next, the effect of Q value control in the cantilever will be described. In the configuration of FIG. 14, if the gain is positive, the effective value of the viscosity coefficient (γ) decreases and the Q value increases as shown in the explanation of the principle of Q value control. Conversely, if the gain is negative, the Q value becomes small.

Q値を小さく(低く)すると、応答速度が向上し、AFMを高速化できる。制御が速くなるので、試料に与えるダメージが減るという利点も得られる。ただし、カンチレバー探針−試料間の相互作用に対する敏感さは減る。   When the Q value is reduced (lower), the response speed is improved and the AFM can be increased. Since the control becomes faster, there is an advantage that the damage given to the sample is reduced. However, the sensitivity to the cantilever probe-sample interaction is reduced.

一方、Q値を大きく(高く)すると、応答速度は下がる。しかし、探針−試料間の相互作用に対する敏感さが増し、検出の敏感さが向上する。したがって、AFMの空間分解能を高くできる。   On the other hand, when the Q value is increased (increased), the response speed decreases. However, the sensitivity to the probe-sample interaction is increased, and the sensitivity of detection is improved. Therefore, the spatial resolution of AFM can be increased.

図15〜図18は、Q値制御の効果を示すシミュレーション結果を示している。図15、図16は、周波数特性のシミュレーション結果である。図15は、入力振幅に対する出力振幅の変位のグラフであり、図16は、位相のグラフである。Q値制御を行わない場合のQ値は約2であり、共振周波数は804kHzである。図15、図16は、Q値=0.5、2、10の3つの周波数特性を示している。図示のように、Q値=10では、共振周波数での振幅が大きくなり、位相が急峻に変化する。これらより、Q値を大きくすると、敏感さが増すことが分かる。   15 to 18 show simulation results showing the effect of Q value control. 15 and 16 show simulation results of frequency characteristics. FIG. 15 is a graph of the displacement of the output amplitude with respect to the input amplitude, and FIG. 16 is a graph of the phase. When the Q value control is not performed, the Q value is about 2, and the resonance frequency is 804 kHz. 15 and 16 show three frequency characteristics with a Q value of 0.5, 2, and 10. FIG. As shown in the figure, when the Q value = 10, the amplitude at the resonance frequency increases and the phase changes sharply. From these, it can be seen that increasing the Q value increases the sensitivity.

図17、図18、過渡応答特性を示している。図17は、入力信号(上段)と、Q値を大きくした場合の特性(中段、Q値=10)と、Q値制御を行わない場合の特性(下段、Q値=2)である。図18は、入力信号(上段)と、Q値を小さくした場合の特性(中段、Q値=0.5)と、Q値制御を行わない場合の特性(下段、Q値=2)である。20μsの時点から、周波数804kHzの信号が入力されている。そして、70μsの時点で信号の入力が止められている。図示のように、Q値が大きくなると、応答が遅くなる。これに対して、Q値が小さくなると、応答が速くなる。   17 and 18 show transient response characteristics. FIG. 17 shows an input signal (upper stage), characteristics when the Q value is increased (middle stage, Q value = 10), and characteristics when the Q value control is not performed (lower stage, Q value = 2). FIG. 18 shows an input signal (upper stage), characteristics when the Q value is reduced (middle stage, Q value = 0.5), and characteristics when the Q value control is not performed (lower stage, Q value = 2). . A signal having a frequency of 804 kHz has been input from the point of 20 μs. The signal input is stopped at 70 μs. As shown in the figure, as the Q value increases, the response becomes slower. On the other hand, when the Q value is small, the response is fast.

以上に、Q値制御を行う実施の形態について説明した。本実施の形態では、Q値制御回路61が本発明のQ値制御部に相当している。   The embodiment for performing the Q value control has been described above. In the present embodiment, the Q value control circuit 61 corresponds to the Q value control unit of the present invention.

本実施の形態によれば、Q値制御部を備えたことにより、光照射を利用してQ値制御を行うことができ、応答速度と感度を調節できる。   According to the present embodiment, since the Q value control unit is provided, Q value control can be performed using light irradiation, and the response speed and sensitivity can be adjusted.

上記の構成では、Q値制御が、熱応答補償と好適に組み合わされている。熱伝導という遅いプロセスが熱応答補償によって見かけ上はなくすことができる(または大幅に短くできる)ので、カンチレバー自身の元々の力学的特性が残る。その結果、光照射が、直接カンチレバーに力を及ぼすのと同様の効果を生じさせることができる。直接外力を加える場合と同様なQ値制御が、光照射の強度に対して行われて、これによりQ値制御が実現される。したがって、Q値制御を容易に行うことができる。   In the above configuration, Q value control is suitably combined with thermal response compensation. Since the slow process of heat conduction can be apparently eliminated (or significantly shortened) by thermal response compensation, the original mechanical properties of the cantilever itself remain. As a result, light irradiation can produce the same effect as directly exerting a force on the cantilever. Q value control similar to the case of directly applying an external force is performed on the intensity of light irradiation, thereby realizing Q value control. Therefore, Q value control can be easily performed.

また、本実施の形態によれば、Q値を減少させることにより、応答速度を増大でき、走査速度を向上できる。また、Q値を増大させてよく、変位感度を増大でき、空間分解能を向上できる。   Further, according to the present embodiment, the response speed can be increased and the scanning speed can be improved by decreasing the Q value. Further, the Q value may be increased, the displacement sensitivity can be increased, and the spatial resolution can be improved.

「その他の変形例」
その他、上述の実施の形態は、当業者により変形可能である。例えば、本実施の形態では、カンチレバーの光照射面に金コートが施されていた。しかし、金以外の材質が適用されてもよい。光照射面の材質に応じて駆動レーザ光の波長を設定することが好ましい。すなわち、レーザ光の波長と光吸収能力の関係に基づいて、光吸収能力が高くなるように波長が設定される。また、光照射面の材質は、センサレーザ光の反射率も考慮して設定されることが好ましい。
"Other variations"
In addition, the above-described embodiment can be modified by those skilled in the art. For example, in this embodiment, a gold coat is applied to the light irradiation surface of the cantilever. However, materials other than gold may be applied. It is preferable to set the wavelength of the driving laser light according to the material of the light irradiation surface. That is, based on the relationship between the wavelength of the laser beam and the light absorption capability, the wavelength is set so that the light absorption capability is increased. The material of the light irradiation surface is preferably set in consideration of the reflectance of the sensor laser light.

本実施の形態における位相補償に関し、熱応答補償回路の構成は、カンチレバー等の仕様に応じて変更されてよい。本実施の形態では、カンチレバーの熱伝達関数が2つのローパスフィルタで現され、そして、この熱伝達関数の逆伝達関数を実現するように熱応答補償回路が構成された。しかし、熱伝達関数は、カンチレバー等の構成によって異なり得る。例えば、熱伝達関数は、カンチレバーの形状によって異なり得る。そこで、熱伝達関数に応じて熱応答補償回路の構成が変更されてよい。実際の熱伝達関数の逆伝達関数を実現するように熱応答補償回路を構成することが好適である。   Regarding the phase compensation in the present embodiment, the configuration of the thermal response compensation circuit may be changed according to the specifications of the cantilever or the like. In the present embodiment, the heat transfer function of the cantilever is expressed by two low-pass filters, and the thermal response compensation circuit is configured to realize an inverse transfer function of the heat transfer function. However, the heat transfer function may vary depending on the configuration of the cantilever or the like. For example, the heat transfer function can vary depending on the shape of the cantilever. Therefore, the configuration of the thermal response compensation circuit may be changed according to the heat transfer function. It is preferable to configure the thermal response compensation circuit so as to realize an inverse transfer function of an actual heat transfer function.

例えば、熱伝達関数が1つのローパスフィルタで現されてよい。そして、この熱伝達関数の逆伝達関数(1+微分)が、熱応答補償回路で実現されてよい。   For example, the heat transfer function may be represented by one low pass filter. The inverse transfer function (1 + derivative) of this heat transfer function may be realized by the thermal response compensation circuit.

また、上述の実施の形態では、光照射がZ走査に利用され、あるいは、光照射がZ走査と励振に利用された。本発明は、光照射を励振のみに用いる構成も含む。この場合も、Q値制御が好適に行われる。   In the above-described embodiment, light irradiation is used for Z scanning, or light irradiation is used for Z scanning and excitation. The present invention also includes a configuration in which light irradiation is used only for excitation. Also in this case, Q value control is suitably performed.

また、上述の実施の形態では、本発明がACモードのAFMに適用された。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明はコンタクトモードのAFMに適用されてもよい。この場合には、カンチレバーが振動しなくてよい。そして、Z走査が光照射によって実現される。   In the above-described embodiment, the present invention is applied to the AC mode AFM. However, the present invention is not limited to this. The present invention may be applied to a contact mode AFM. In this case, the cantilever does not have to vibrate. And Z scanning is realized by light irradiation.

また、本実施の形態では、Z駆動(走査)用の圧電素子が設けられていない。しかし、Z駆動用の圧電素子が付加的に設けられてもよい。この点に関し、本実施の形態では、XYスキャナとして、従来のAFMのXYZスキャナが備えられてもよい。この場合、XY方向のみの走査機能が利用されてもよい。あるいは、Z方向の走査機能が、レーザ光照射と併用されてもよい。例えば、圧電素子が、操作の初期段階で適当な位置までカンチレバー5を動かすために用いられてよい。   In the present embodiment, a piezoelectric element for Z driving (scanning) is not provided. However, a piezoelectric element for driving Z may be additionally provided. In this regard, in the present embodiment, a conventional AFM XYZ scanner may be provided as the XY scanner. In this case, a scanning function only in the XY directions may be used. Alternatively, the scanning function in the Z direction may be used in combination with laser light irradiation. For example, a piezoelectric element may be used to move the cantilever 5 to an appropriate position in the initial stage of operation.

さらに、本発明は、AFM以外にも適用可能である。また、本発明の別の態様は、カンチレバーの駆動装置および駆動方法などである。この態様は、走査型プローブ顕微鏡以外の装置にも適用されてよい。   Furthermore, the present invention can be applied to other than AFM. Another aspect of the present invention is a cantilever driving apparatus and driving method. This aspect may be applied to apparatuses other than the scanning probe microscope.

以上に現時点で考えられる本発明の好適な実施の形態を説明したが、本実施の形態に対して多様な変形が可能なことが理解され、そして、本発明の真実の精神と範囲内にあるそのようなすべての変形を添付の請求の範囲が含むことが意図されている。   Although the presently preferred embodiments of the present invention have been described above, it will be understood that various modifications can be made to the present embodiments and are within the true spirit and scope of the present invention. It is intended that the appended claims include all such variations.

本発明にかかる走査型プローブ顕微鏡は、走査速度を増大することができる。   The scanning probe microscope according to the present invention can increase the scanning speed.

Claims (28)

カンチレバーと、
前記カンチレバーの変位を検出するセンサと、
前記カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、
前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、
を備え、前記光照射制御部は、前記センサにより検出された変位に基づいて前記光照射部の光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行い、
前記光照射制御部は、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部を備えており、
前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
Cantilevers,
A sensor for detecting the displacement of the cantilever;
A light irradiator that irradiates the cantilever with light to cause thermal expansion deformation;
A light irradiation control unit that changes the displacement of the cantilever by controlling the light intensity of the light irradiation unit;
Wherein the light emission control unit may have line feedback control of the cantilever by controlling the intensity of light of the light irradiation unit based on the detected displacement by said sensor,
The light irradiation control unit includes a thermal response compensation unit that compensates for a delay in the thermal response of the cantilever with respect to light irradiation from the light irradiation unit,
The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the thermal response compensator has a configuration equivalent to an inverse transfer function of a heat transfer function of the cantilever .
前記カンチレバーは、熱膨張率が異なる複数の層を有しており、前記複数の層の熱膨張率の差に応じてZ方向に撓み変形することを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。  2. The scanning type according to claim 1, wherein the cantilever has a plurality of layers having different thermal expansion coefficients, and is bent and deformed in a Z direction according to a difference in thermal expansion coefficients of the plurality of layers. Probe microscope. 前記カンチレバーは、窒化シリコンに金がコーティングされた構成を有しており、金コーティングに光が照射されることを特徴とする請求項2に記載の走査型プローブ顕微鏡。  3. The scanning probe microscope according to claim 2, wherein the cantilever has a configuration in which gold is coated on silicon nitride, and the gold coating is irradiated with light. 前記光照射制御部は、さらに、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡。  The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the light irradiation control unit further vibrates the cantilever by controlling light intensity of the light irradiation unit. 前記光照射制御部は、さらに、前記センサにより検出された変位に基づいてQ値制御を行うQ値制御部を備えていることを特徴とする請求項4に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 4 , wherein the light irradiation control unit further includes a Q value control unit that performs Q value control based on a displacement detected by the sensor. 前記Q値制御部は、前記センサにより検出された変位の微分にゲインを付与した値を求める構成を有することを特徴とする請求項5に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 5 , wherein the Q value control unit has a configuration for obtaining a value obtained by adding a gain to the differential of the displacement detected by the sensor. 前記Q値制御部はQ値を減少させることを特徴とする請求項5に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 5 , wherein the Q value control unit decreases the Q value. 前記Q値制御部はQ値を増大させることを特徴とする請求項5に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 5 , wherein the Q value control unit increases the Q value. カンチレバーと、
前記カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、
前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、
を備え、前記光照射制御部は、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させる発振制御部と、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部とを備えており、
前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
Cantilevers,
A light irradiator that irradiates the cantilever with light to cause thermal expansion deformation;
A light irradiation control unit that changes the displacement of the cantilever by controlling the light intensity of the light irradiation unit;
The light irradiation control unit includes an oscillation control unit that vibrates the cantilever by controlling light intensity of the light irradiation unit, and compensates for a delay in thermal response of the cantilever with respect to light irradiation from the light irradiation unit. and a thermal response compensating section that,
The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the thermal response compensator has a configuration equivalent to an inverse transfer function of a heat transfer function of the cantilever .
前記カンチレバーの変位を検出するセンサを備えており、
前記光照射制御部は、前記センサにより検出された変位に基づいてQ値制御を行うQ値制御部を備えていることを特徴とする請求項9に記載の走査型プローブ顕微鏡。
A sensor for detecting the displacement of the cantilever;
The scanning probe microscope according to claim 9 , wherein the light irradiation control unit includes a Q value control unit that performs Q value control based on a displacement detected by the sensor.
前記Q値制御部は、前記センサにより検出された変位の微分にゲインを付与した値を求める構成を有することを特徴とする請求項10に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 10 , wherein the Q value control unit has a configuration for obtaining a value obtained by adding a gain to a differential of the displacement detected by the sensor. 前記Q値制御部はQ値を減少させることを特徴とする請求項11に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 11 , wherein the Q value control unit decreases the Q value. 前記Q値制御部はQ値を増大させることを特徴とする請求項11に記載の走査型プローブ顕微鏡。The scanning probe microscope according to claim 11 , wherein the Q value control unit increases the Q value. カンチレバーと試料を相対的にXY方向に移動させ、
カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、
前記カンチレバーの変位を検出し、
検出された前記カンチレバーの変位に基づいて前記光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行い、
前記光の強度制御において前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数を用いて位相補償をすることで、前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡による観察方法。
Move the cantilever and sample relative to each other in the XY direction,
Irradiating light to the cantilever to cause thermal expansion deformation,
Detecting the displacement of the cantilever,
There line feedback control of the cantilever by controlling the intensity of the light based on the displacement of the detected the cantilever,
A scanning probe microscope that compensates for a delay in the thermal response of the cantilever to the light irradiation by performing phase compensation using an inverse transfer function of the heat transfer function of the cantilever in the light intensity control. Observation method.
さらに、前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項14に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法。15. The observation method using a scanning probe microscope according to claim 14 , further comprising vibrating the cantilever by controlling the intensity of the light. さらに、検出された前記カンチレバーの変位に基づいたQ値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項15に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法。The observation method using a scanning probe microscope according to claim 15 , further comprising performing Q value control based on the detected displacement of the cantilever by controlling the intensity of the light. カンチレバーと試料を相対的にXY方向に移動させ、
カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、
前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させ、かつ、前記光の強度制御において前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数を用いて位相補償をすることで前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡による観察方法。
Move the cantilever and sample relative to each other in the XY direction,
Irradiating light to the cantilever to cause thermal expansion deformation,
The cantilever is vibrated by the intensity control of the light , and the phase compensation is performed using the inverse transfer function of the heat transfer function of the cantilever in the intensity control of the light, so that the thermal response of the cantilever to the light irradiation is An observation method using a scanning probe microscope, characterized by compensating for the delay.
前記カンチレバーの変位を検出し、
検出された前記カンチレバーの変位に基づいたQ値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項17に記載の走査型プローブ顕微鏡による観察方法。
Detecting the displacement of the cantilever,
18. The observation method using a scanning probe microscope according to claim 17 , wherein Q value control based on the detected displacement of the cantilever is performed by controlling the intensity of the light.
カンチレバーの変位を検出するセンサと、
前記カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、
前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、
を備え、前記光照射制御部は、前記センサにより検出された変位に基づいて前記光照射部の光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行い、
前記光照射制御部は、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部を備えており、
前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有することを特徴とするカンチレバー駆動装置。
A sensor for detecting the displacement of the cantilever;
A light irradiator that irradiates the cantilever with light to cause thermal expansion deformation;
A light irradiation control unit that changes the displacement of the cantilever by controlling the light intensity of the light irradiation unit;
Wherein the light emission control unit may have line feedback control of the cantilever by controlling the intensity of light of the light irradiation unit based on the detected displacement by said sensor,
The light irradiation control unit includes a thermal response compensation unit that compensates for a delay in the thermal response of the cantilever with respect to light irradiation from the light irradiation unit,
The thermal response compensator has a configuration equivalent to an inverse transfer function of a heat transfer function of the cantilever.
前記光照射制御部は、さらに、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項19に記載のカンチレバー駆動装置。The cantilever driving apparatus according to claim 19 , wherein the light irradiation control unit further vibrates the cantilever by controlling light intensity of the light irradiation unit. 前記光照射制御部は、さらに、前記センサにより検出された変位に基づいてQ値制御を行うQ値制御部を備えていることを特徴とする請求項20に記載のカンチレバー駆動装置。21. The cantilever drive device according to claim 20 , wherein the light irradiation control unit further includes a Q value control unit that performs Q value control based on a displacement detected by the sensor. カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせる光照射部と、
前記光照射部の光の強度を制御して前記カンチレバーの変位を変化させる光照射制御部と、
を備え、前記光照射制御部は、前記光照射部の光の強度の制御によって前記カンチレバーを振動させる発振制御部と、前記光照射部からの光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する熱応答補償部とを備えており、
前記熱応答補償部は、前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数と等価な構成を有することを特徴とするカンチレバー駆動装置。
A light irradiator that irradiates the cantilever with light and causes thermal expansion deformation;
A light irradiation control unit that changes the displacement of the cantilever by controlling the light intensity of the light irradiation unit;
The light irradiation control unit compensates for a delay in thermal response of the cantilever with respect to the light irradiation from the light irradiation unit and an oscillation control unit that vibrates the cantilever by controlling the light intensity of the light irradiation unit and a thermal response compensating section that,
The thermal response compensator has a configuration equivalent to an inverse transfer function of a heat transfer function of the cantilever.
前記光照射制御部は、さらに、センサにより検出された前記カンチレバーの変位に基づいてQ値制御を行うQ値制御部を備えていることを特徴とする請求項22に記載のカンチレバー駆動装置。The cantilever driving apparatus according to claim 22 , wherein the light irradiation control unit further includes a Q value control unit that performs Q value control based on a displacement of the cantilever detected by a sensor. カンチレバーと試料を相対的にXY方向に移動させ、
カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、
前記カンチレバーの変位を検出し、
検出された前記カンチレバーの変位に基づいて前記光の強度を制御することによって前記カンチレバーのフィードバック制御を行い、
前記光の強度制御において前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数を用いて位相補償をすることで、前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する
ことを特徴とするカンチレバー駆動方法。
Move the cantilever and sample relative to each other in the XY direction,
Irradiating light to the cantilever to cause thermal expansion deformation,
Detecting the displacement of the cantilever,
There line feedback control of the cantilever by controlling the intensity of the light based on the displacement of the detected the cantilever,
A cantilever driving method characterized by compensating for a delay in the thermal response of the cantilever to the light irradiation by performing phase compensation using an inverse transfer function of the heat transfer function of the cantilever in the light intensity control .
さらに、前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させることを特徴とする請求項24に記載のカンチレバー駆動方法。The cantilever driving method according to claim 24 , further comprising vibrating the cantilever by controlling the intensity of the light. さらに、検出された前記カンチレバーの変位に基づいたQ値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項25に記載のカンチレバー駆動方法。 26. The cantilever driving method according to claim 25 , further comprising performing Q value control based on the detected displacement of the cantilever by controlling the intensity of the light. カンチレバーと試料を相対的にXY方向に移動させ、
カンチレバーに光を照射して熱膨張変形を生じさせ、
前記光の強度制御によって前記カンチレバーを振動させ、かつ、前記光の強度制御において前記カンチレバーの熱伝達関数の逆伝達関数を用いて位相補償をすることで前記光の照射に対する前記カンチレバーの熱応答の遅れを補償する
ことを特徴とするカンチレバー駆動方法。
Move the cantilever and sample relative to each other in the XY direction,
Irradiating light to the cantilever to cause thermal expansion deformation,
The cantilever is vibrated by the intensity control of the light , and the phase compensation is performed using the inverse transfer function of the heat transfer function of the cantilever in the intensity control of the light, so that the thermal response of the cantilever to the light irradiation is A cantilever driving method characterized by compensating for the delay.
前記カンチレバーの変位を検出し、
検 出された前記カンチレバーの変位に基づいたQ値制御を前記光の強度制御によって行うことを特徴とする請求項27に記載のカンチレバー駆動方法。
Detecting the displacement of the cantilever,
28. The cantilever driving method according to claim 27 , wherein Q value control based on the detected displacement of the cantilever is performed by controlling the intensity of the light.
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